跨學科交叉平臺的建設及取得的科研成果

劉 源

（清華大學 深圳研究生院 清潔生產重點實驗室，廣東 深圳 518055）

1 跨學科大平臺實驗室建設的起因及必要性

隨著知識創新理論研究的發展和開放式創新研究的深入，交叉創新、融合創新成為知識創新的重要思維方法［1］。在知識融合的大背景下，交叉學科不斷涌現，已逐漸成為知識發展的一種新時代特性。科學的發展史表明，科學的重大突破點往往發生在科學需要和科學內在邏輯的交叉點上，也往往與一門新的交叉學科的誕生相聯系［2］。跨學科交叉以及深度融合的思維碰撞方式，是產生創新成果的根源。目前單一學科已經無法有效解決各種科研難題。

物理學家海森堡認為“科學扎根于交流，起源于討論”。許多國家、大學和學術團體對此都非常重視，采取多種形式并創造條件開展學術交流活動，以此促進學科的交叉［3］。21世紀，科技發展步伐加快，科技進步帶動產業轉型，而轉型需要多學科知識做后盾。因此，科研系統要實現為社會服務的職能，就必須緊跟時代步伐，加快學科的交叉和融合。

目前，我國工業化面臨著空前的機遇和挑戰。資源“消耗型”工業化進程換來的增長，導致環境污染嚴重，經濟高速發展難以持續，迫切需要探索新型工業化模式。“十二五”期間，我國進一步加大環境保護力度，為從源頭減少污染物產生量、盡可能降低末端治理壓力、促進國家“十二五”規劃綱要提出的各項資源節約和環境保護指標完成，必須進一步加大推行學科交叉的力度，全面提升清潔生產，即工業生態化水平。

我國發展的基礎是能源和材料，但是能源短缺和環境污染是我國面臨的重大挑戰。資源使用的每一步都需要消耗能源，同時排出大量的廢水、廢氣、廢渣，污染生存環境，并帶來各種環境影響，比如溫室效應、臭氧層破壞等。從能源、資源消耗和環境污染的根源分析，材料及其制品的生產是造成能源短缺、資源過度消耗乃至枯竭的主要原因之一。在大量消耗優質資源的同時，材料的生產和使用也給人類賴以生存的生態環境帶來了嚴重的負擔。為了解決材料、制造與能源、環境之間的關系，需要努力提高資源的利用和回收率，減少對資源的消耗。

面對日趨強化的資源環境約束，需要增強危機意識，樹立綠色、低碳發展理念，以節能減排為重點，健全激勵與約束機制，加快構建資源節約、環境友好的生產方式和消費模式，增強可持續發展能力，提高生態文明水平。為從“源頭”解決環境問題，預防和控制污染的產生，適應國家進行清潔生產和循環經濟戰略的需要，為了配合我院“學科交叉，創新創業”的辦學理念，完善管理體制和運行機制，建設好新興交叉融合的大平臺，在深圳市政府的支持下，成立了將4個學科融為一體的跨學科大平臺：清潔生產重點實驗室。

跨學科大平臺實驗室的建立，在體制與機制上，綜合了4個相關學科力量，包括清潔能源、環境材料、綠色制造和環境污染控制等，形成了一體化的交叉運行機制，能夠從生態系統角度解決清潔生產和環境污染問題，從根本上預防污染的產生，實現產業清潔生產和生態化，達到節能、降耗、減污、增效的多重目的。

這種運行機制，能夠按照城市結構和產業鏈形態進行學科交叉融合研究，能夠建立新型的工程科學與技術體系，對城市化及產業鏈主要要素，包括能源學科、材料學科、制造學科和環境學科進行交叉融合，形成綜合型的學科體系，適應現代社會可持續發展的要求，為我國新型科學發展道路提供理論和技術指導。

2 實驗室交叉平臺的構建歷程

實驗室建設和管理的水平直接影響實踐教學的效果和學生創新能力的培養，也是高校辦學水平的重要標志［4］。先進、完善的實驗設備及日常運作、管理的規范化是學科建設和發展的必要條件，這對新興的交叉學科而言顯得更加重要［5］。由于先進的儀器設備是高水平科研成果產生的先決條件，清潔生產重點實驗室的初期建設便從高端實驗儀器設備的購入開始，因此各學科的交叉融合及各類設備的交叉使用，成為儀器設備購入的前提條件。

2006年底，深圳市政府批復清潔生產重點實驗室建設初步設計和概算，市財政一次性補助3 000萬元用于購置設備，資金不足部分由單位自籌解決。

實驗室在深圳市政府資金支持下，依托清華大學深圳研究生院，融合了4個不同學科的力量，在學科交叉、儀器共享的理念指導下，籌建成立了交叉型的研究平臺。宗旨是以高水平科研、全方位的學科交叉，圍繞地方經濟、社會發展的重大科學問題和關鍵技術，開展創新性研究工作。

實驗室成立初期，能源、材料、制造和環境4個學科，已經有了一定的基礎設施，為了避免重復采購造成儀器的閑置浪費，提高儀器的使用效率，儀器訂購前，4個學科密切溝通，相互協調，共同論證，充分考慮到儀器設備的交叉使用，避免不必要的資源浪費。

2007年院務會通過“重點實驗室建設經費使用試行辦法”，通過“重點實驗室設備購置程序”，明確了建設經費使用原則和程序步驟，并召開清潔生產重點實驗室領導小組會議，在學科交叉、儀器共享的理念指導下，確認儀器購買清單、安排購買進度、儀器檔案管理，重點實驗室的交叉平臺建設進入到執行階段。

2008年儀器設備陸續到位，購買的大型儀器設備主要有：場發射掃描電子顯微鏡、X射線粉末（單晶）衍射儀、電力實時數字仿真器、紅外光譜儀、氣相色譜-質譜聯用儀、電耦等離子發射光譜儀、藍光光斑評價系統、全自動微生物鑒定系統等，所購入的儀器大部分可以跨學科交叉使用。比如場發射掃描電子顯微鏡，除了在材料領域對炭材料、高分子材料、電池材料等材料的結構表征進行測試外，在環境領域可對水處理的膜材料（陶瓷膜、生物膜等）進行測試，在能源領域可對硅橡膠、電極表面氧化層、太陽能漿料等進行測試，制造領域可對光刻材料、金屬材料等進行測試，該儀器還可以對生物醫藥、光學等方面材料進行測試。各學科購入的儀器設備及可以交叉使用概況見圖1。

隨著儀器設備的陸續到位，形成了跨學科大平臺運行機制，這種運行機制與建設實驗室的目標、方向相吻合，與國家進行清潔生產和循環經濟戰略的需要相適應，并且適應社會與產業轉型的技術和理論需求，解決了城市化進程中清潔生產和環境方面的復雜規律和重大技術問題，為城市化、產業結構升級和產業鏈的生態化提供技術和理論2個方面的支撐。

清潔生產實驗室的交叉平臺，目前已經擁有實驗室面積3 948m2，已在能源學科、材料學科、先進制造學科和環境學科建立了比較完善的科研平臺，并且在這些平臺基礎上進行交叉和整合，建立了比較綜合性的教學與研究體系。平臺目前已經開始進行高質量的研究生培養和開展國際國內外尖端的科研活動。

3 實驗室儀器設備在學科交叉中的管理

實驗室儀器設備采用大型儀器設備交叉共享、小型設備獨立使用、既有交叉又有平行的管理模式，全部儀器設備統一建賬、統一調配、統一管理協調使用。

3.1 實驗室人員

圖1 清潔生產重點實驗室大型儀器在學科交叉領域的使用情況

培養適應經濟建設需要的應用型、復合型的高級工程管理專業人才，必須有一支結構合理的高素質專業師資隊伍［6］。實驗技術人員的管理建設是實現儀器設備交叉共享的基本要素，也是實驗技能傳承、開發的重要載體，他們是高等學校科研、教學和人才培養方面最重要的組成部分。在實驗室建立以前，這支隊伍的培養、建設和管理上存在一定差距，拔尖人才和骨干力量缺乏。隨著教學科研裝備水平的提升，對儀器操作人員的技術水平和服務質量要求明顯提高。因此，要實現儀器設備交叉共享服務，必須加快建設一支高素質、高水平的技術管理隊伍。

目前，實驗室擁有完整的學科研究梯隊，包括：院士4人（兼職）；專職教授7人，副教授8人，講師6人，博士后9人以及26位雙基地教授；擁有5名專業的實驗工程技術人員負責儀器設備的維護、管理及大型儀器的操作使用；擁有15名以企業化編制管理的科研人員，負責為社會提供各種檢測服務。清潔生產重點實驗室每年招收的在校研究生達到180人，其中博士生25人。實驗交叉平臺已經形成了一個高水平、高效率的技術研發隊伍。

3.2 大型設備專管共用和資源共享

為加強對大型精密貴重儀器設備的管理，使其更好地為教學、科研服務，根據教育部對大型精密貴重儀器設備加強管理的要求，結合實驗室具體情況，編寫了《清潔生產重點實驗室管理手冊》，手冊在規范實驗室管理、提高實驗室的效率、規范實驗人員的行為等方面都起到積極的作用，并且為實驗室交叉運行管理奠定了堅實基礎。

實驗室大部分儀器均是進口設備，要求操作精細，因此，實驗室的大型精密貴重儀器設備實行“專人管理”，日常使用中由專職人員負責指導學生操作，盡可能地增加學生接觸貴重儀器設備的機會，并進行定期檢查維護，使其處于良好的運行狀態。

目前，實驗室采取聯合申請科研項目，建立儀器設備網絡管理平臺等措施，使實驗室內的4個學科有效地交叉聯合，也使實驗室的儀器設備與其他院校乃至社會資源共享，大大提高了儀器設備的利用率，減少了儀器設備閑置的現象，避免了資源浪費。由此可見，合理、有效地利用大型精密貴重儀器設備資源，建立高校大型精密貴重儀器設備開放服務體系，實現優質資源共享是十分必要的［7］。

3.3 預約使用與合理收費

使用大型精密貴重儀器設備之前要預約登記。實驗室規定每周五預約下周儀器設備的使用時間。預約登記加強了儀器設備的使用效率，使儀器設備的使用更加規范有序。

共享平臺的構建應秉承開放性原則、共享性原則和成本核算有償使用原則［8］。儀器設備收費分2種：院內（大學城內）的一切科研協作只收取儀器設備正常運行的維護管理費和材料消耗等費用，院外（大學城外）的收費則包括折舊費、消耗費、測試費、維修費、管理費等，收取的費用在院財務辦單獨設立費用收入賬戶。收入的費用主要用于儀器設備的運行、維護、維修等。

4 學科交叉取得的成果

實驗室自成立以來，承擔了大量高水平跨學科、交叉聯合的科研項目，包括國家重大專項、國家“973”、國家“863”、國家自然科學基金重點和面上項目，科技部國際合作、廣東省和深圳市科研基金項目以及各種與企業合作的橫向研究項目等，主要成果可以從以下幾個方面概述。

4.1 人才培養

創新人才培養需要個性化教學、差異化培養，最大限度地激發學生的創造力和發展潛能［9］。所以，不同學科的交叉已成為培養研究生創新能力的一種重要的渠道和方式，而打破各學科之間的壁壘，并使其交叉和融合也已成為當代科學發展的必然趨勢［10］。學科交叉前，由于各個學科單一的思維方式，人才培養存在局限性，無法拓展學生的視野，因此學科交叉平臺的建立不僅利于資源整合，更利于培養知識面寬廣、能適應社會需求的復合型人才。

實驗室跨學科大平臺自組建以來，使得各學科通過聯合申請項目，整體考慮跨學科的教學計劃，在人才培養方面有了全新的培養思路。通過不同學科實驗條件的整合，儀器設備交叉使用，帶來了全新的人才培養環境，培養出更加適應社會需求的高端人才。目前，已經培養研究生1 000人以上。期間，多學科教師共同制訂培養方案，共同開題，交叉指導學生研究，儀器交叉使用，交叉評估進展，教師低頭抬頭交流，學生同苦同樂，形成了獨特的交叉創新生態機制和環境。

4.2 科研成果

通過學科交叉，給科研活動的各個環節帶來全新的提升。教師打破傳統的學科界限，活躍和開拓了學術思想，為產生新的理論、觀點和創造性研究成果創造條件，實現實驗室、大型儀器設備等硬件科研資源的共享，實現科技資料、科研手段、學術交流等軟科研資源的互通，進而擴大了科研活動的空間［11］。實驗室自成立以來所取得的成果如下：

（1）共承擔科研項目287項，從各種渠道爭取到位的科研經費超過了億元。這些科研項目絕大多數是2個或多個學科聯合開展的，其中16%是由4個學科聯合申請，23%是由3學科聯合申請，35%是由2個學科聯合申請，其余的是單一學科申請。

（2）發表論文435篇，其中SCI收錄268篇，EI收錄149篇。

（3）發表學術專著5部。

（4）共申請專利144項（發明117項、實用新型26項、外觀設計1項），獲得專利授權82項（發明66項、實用新型15項、外觀設計1項）。

（5）獲得各種獎項23項，其中包括獲2010年度國家技術發明二等獎1項、2011年獲第六屆國家教師名師獎1項，其他年度省部級科學技術特等獎1項、一等獎1項、二等獎7項、三等獎4項以及大量其他獎項。

（6）組織和參加的國際國內會議上百余次，參加人數達上千余人次。

4.3 服務社會經濟

科研和服務相輔相成，應該是相互促進，而不是相互制約［12］。從社會發展的角度，高校辦學能力和水平越來越體現在為地方經濟和社會發展服務的力度和程度上。實驗室在清潔生產實施方面經過幾年的運作，已形成了對社會經濟開放的模式：

（1）成立了工業生態與環境檢測中心。檢測中心采用企業化管理和市場化運作，服務于科研，服務于社會，取得了巨大的成功，不僅獲得了經濟效益，而且獲得了社會效益。該中心2013年4月通過中國合格評定國家認可委員會（CNAS）復評審，2013年6月通過廣東省質量技術監督局頒發的資質認定計量認證證書（CMA）復評審。該中心已經成為綜合性、專業型、全國性的工業生態與環境檢測的第三方測試、檢驗與驗證機構。

（2）成立了深圳市先進金屬材料科技創新與檢測研發公共技術服務平臺。該平臺成立以來對外服務數量達到上百余次，已經具備先進金屬材料及其關鍵制備技術研發、金屬材料檢測分析的科研條件和研究生培養的基本條件，同時通過平臺搭橋，近3年來實現了與企業合作進行科研課題立項10余項。

（3）牽頭組建成立了先進電池與材料、無源元器件與集成、中國高清攝放像產業創新聯盟3個省部產學研聯盟，實驗室教師擔任聯盟秘書長。

（4）實驗室參加籌建“生物化工材料”和“中國高清攝放相產業創新”2個產學研聯盟，實驗室教授分別擔任2個聯盟的技術委員會負責人之一。

（5）對深圳市100余家企業開展技術服務和提供技術咨詢，包括比亞迪、華為、長園新材、貝特瑞等大公司和許多發展中的中、小企業，如深圳溫騰熱控電子公司、鑫承諾化工公司等。

4.4 典型交叉創新項目——“智能微電網系統教學示范項目”

當前，能源已經成為國際社會共同關注的重大問題，太陽能等新能源由于其可再生和清潔等特點越來越受到重視，光伏發電是開發利用太陽能的一種重要形式。目前，光伏發電系統正在從邊遠無電地區不斷向城市擴展，因此在系統造型、功能等方面出現了新問題。清潔生產重點實驗室通過多個學科的交叉，建立了包括新能源（風光互補分布式）發電接入、汽車電網、儲能電站（液流電池、超級電容器、鋰離子電池）、智能變電站、智能用電、LED等在內的微電網教學示范工程。

該示范工程圍繞各種新能源在民居社區中的應用和生態環境改善，針對性地開發關鍵技術和聯用設備，形成產業鏈條和調控系統，主要研發內容包括：

（1）基于芯片設計的太陽能控制裝置；

（2）基于新材料的高效儲能裝置；

（3）綜合能效數據自動采集裝置系統；

（4）“太陽樹”社區水環境綜合處理系統。

目前已經在清華大學深圳研究生院校區建立了一個示范基地。圖2為校園智能微電網系統示意圖。

圖2 校園智能微電網系統示意圖

實驗室創建的獨特開放模式，將自身優勢與區域內經濟和社會發展趨勢緊密結合，全面為國內外企業用戶提供有附加值的服務，并結合科研成果，為企業的發展提供創新型服務，促進區域內產業群的健康發展，同時也為實驗室跨學科大平臺的科學研究提供了有力的保障。

5 結束語

清華大學深圳研究生院圍繞清潔生產領域，通過重點實驗室建設形成了大型交叉平臺，研究課題交叉創新，擴大了研究生的視野、拓寬了研究生的專業范圍、克服了現有的傳統專業狹窄的缺點，從而形成針對研究生特點的新型高層次工程教育體系和高素質人才的培養體系，科研領域在跨學科大平臺發展的基礎上，取得了可喜的研究成果。

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